Naukowcy wykorzystali chemię małży do budowy trwalszej baterii

Zespół naukowców z Korei Południowej opracował nowy, trójwarstwowy kompozytowy elektrolit stały do baterii litowo-metalowych nowej generacji. Materiał zapewnia wysoką przewodność jonową oraz trwałość mechaniczną, „rozwiązując główne problemy tej technologii – niską przewodność jonową, powstawanie dendrytów oraz niestabilność na granicy elektrolit-elektroda. Badania prowadził zespół pod kierownictwem naukowców z Chonnam National University.

Inspiracja z natury

Struktura elektrolitu została zainspirowana białkami adhezyjnymi, dzięki którym małże przyczepiają się do skał. Jak wyjaśnił Mincheol Chang, główny autor badania, trójwarstwowy kompozyt łączy chemicznie aktywne wypełniacze ceramiczne z elastycznym kopolimerem trójblokowym, co zwiększa zarówno przewodność jonową, jak i wytrzymałość mechaniczną materiału.

Zdaniem autora, opracowany elektrolit jest przeznaczony dla baterii litowo-metalowych nowej generacji, które mogą umożliwić dłuższy zasięg pojazdów elektrycznych, bezpieczniejsze baterie, elastyczną elektronikę do noszenia, a także magazyny energii o długim cyklu życia.

Budowa materiału

Zaproponowana architektura trójwarstwowa składa się z:

• miękkich warstw zewnętrznych – wykonanych z matrycy PEO/LiTFSI (bis(trifluorometanosulfonylo)imidu litu),
• twardszej warstwy środkowej – wzmocnionej cząstkami LLZO pokrytymi polidopaminą (PDA) oraz kopolimerem PPP (poli(glikol etylenowy)-blok-poli(glikol propylenowy)-blok-poli(glikol etylenowy)).

Naukowcy najpierw zdyspergowali PDA@LLZO w acetonitrylu za pomocą mieszania magnetycznego i sonikacji. Następnie dodali PPP oraz matrycę PEO-LiTFSI, tworząc jednorodną zawiesinę.

Przygotowano cztery warianty materiału, różniące się zawartością PDA@LLZO: 10%, 20%, 30% i 40% wagowych, oznaczone jako CSE-10, CSE-20, CSE-30 i CSE-40.

Mieszaniny odlano metodą tape-casting do postaci samonośnych filmów kompozytowych. Te z kolei umieszczono między dwiema warstwami PEO-LiTFSI i połączono termicznie metodą prasowania na gorąco.

Jak działa struktura?

W tej konstrukcji miękkie warstwy zewnętrzne mają kontaktować się z elektrodami i ułatwiać transport jonów litu (Li+). Środkowa warstwa PDA@LLZO-PPP tworzy natomiast mechanicznie wytrzymały i wysoko przewodzący rdzeń materiału. Powłoka PDA na cząstkach LLZO poprawia mobilność jonów Li+ dzięki wzmocnionym interakcjom polimer-ceramika, a jednocześnie ogranicza mobilność jonów TFSI−. Elastyczny polimer PPP wzmacnia hybrydową sieć materiału i pomaga hamować wzrost dendrytów litowych.

Testy i wyniki

Zespół zbadał strukturę elektrolitu, jego zachowanie termiczne, transport jonowy, stabilność elektrochemiczną oraz wytrzymałość mechaniczną przy użyciu różnych technik badawczych.

Wariant CSE-30 przetestowano w symetrycznych ogniwach Li|Li oraz pełnych ogniwach LFP|Li pod kątem stabilności cyklicznej i zdolności do pracy przy różnych prędkościach ładowania, a następnie przeprowadzono analizę post-cykliczną. Elektrolit sprawdzono również z katodą NCM622 oraz w ogniwie woreczkowym typu LFP|Li – w tym podczas pracy w stanie złożonym i częściowo naciętym.

Zoptymalizowany wariant CSE-30 osiągnął przewodność jonową na poziomie 5,60 × 10⁻³ S/cm w temperaturze 60°C oraz wysoką liczbę przenoszenia litu wynoszącą 0,81, przy jednoczesnej wysokiej wytrzymałości mechanicznej i wydłużeniu.

Symetryczne ogniwa Li|Li wykazały bezdendrytową pracę przez ponad 1000 godzin. Pełne ogniwa LiFePO4|Li osiągnęły stabilną pojemność rozładowania na poziomie 133,6 mAh/g przy 0,5C, z zachowaniem 80% pojemności po 1000 cyklach.

Badania morfologiczne i spektroskopowe wykazały, że wariant CSE-30 sprzyja tworzeniu się jednolitej chemicznie warstwy SEI (interfazy elektrolit-elektroda), wzbogaconej o LiF oraz związki organiczne pochodzące z polimeru. Taka warstwa zapewnia ciągłość interfejsu oraz stabilność elektrochemiczną układu.

Wnioski zespołu badawczego

Jak podsumowali autorzy, uzyskane wyniki ustanawiają solidną zależność między strukturą a właściwościami materiału. Synergiczne oddziaływanie między funkcjonalizowanym powierzchniowo dodatkiem ceramicznym a mechanicznie podatną matrycą polimerową daje w efekcie wielofunkcyjny elektrolit, zdolny do wspierania wysokowydajnych baterii litowo-metalowych.

Badanie, zatytułowane „Surface-Functionalized LLZO-Incorporated Multilayer Composite Solid Electrolytes for Dendrite Suppression and Efficient Ionic Conduction in Lithium–Metal Batteries”, zostało opublikowane w czasopiśmie Advanced Materials.

W badaniu, oprócz naukowców z Chonnam National University, wzięli udział również przedstawiciele Korea Institute of Industrial Technology.